水晶発振回路の構築：エンジニア向け実践ガイド

時間の周波数追跡や、無線送受信機の安定化を理解したいエンジニアやメーカーの方は、負荷容量を持つ水晶発振回路について広範な理解が必要です。これにより、時計のような時間を追跡するプロジェクトや、クロック信号を提供するプロジェクトを構築できます。また、水晶発振回路は主にRF発振器で見つかります。

本記事では、水晶発振器について詳しく説明します。

水晶発振回路とは

簡単に言えば、水晶発振回路は特定の周波数を生成するデバイスを収容する電子回路基板です。また、振動する水晶の機械的共振を利用して一定の周波数を生成する電子発振回路でもあります。

さらに、水晶発振器から生成される周波数は以下に使用できます：

• クォーツ時計での時刻管理
• デジタルICへの安定した信号生成
• 無線受信機と送信機の周波数の安定化と維持

また、水晶発振器は圧電効果の逆効果または電気歪みに大きく依存して効果的に機能します。このプロセスは、電界内で石英水晶の形状に変化が生じたときに起こります。

水晶発振器の仕組み

水晶発振器は逆圧電効果の原理を使用します。共振回路は、抵抗（水晶内部構造の摩擦）、インダクタンス（水晶の質量）、容量C1（水晶の機械的成形からの容量）、容量C2（コンプライアンス）で構成されます。

回路に電界モデルを印加すると、一部の材料に機械的変形が生成されます。また、水晶の対向する面に電位差も生成されます。

同様に、片面に電位差が印加されると、機械的応力が生じます。この機械的応力が圧電効果です。

通常、この回路に最適な水晶は石英です。ほとんどの共振器より優れているだけでなく、石英は携帯可能です。また、高い安定性、経済的、入手しやすく、良好な品質因子を持っています。

圧電水晶は、適切な交流電位を印加すると機械的振動を起こします。さらに、交流電圧の周波数範囲が水晶の固有周波数と等しくなると、機械的振動の振幅が最大になります。

また、等価電気回路が水晶の動作モードを説明します。石英水晶発振器には、並列共振と直列共振という2つの基本共振があります。

水晶発振回路の構築方法

水晶発振回路の例をいくつか紹介します：

1. 74LS04を使用した水晶発振回路

このタイプの回路はデジタルアプリケーションでよく見られます。異なる波形を生成するためです。また、基本時間ベースとして様々な周波数範囲を作成するのに役立ちます。

回路で使用される主な部品：

• 抵抗器と接続された水晶
• RC発振回路のコンデンサと抵抗器
• コンデンサとワイヤーを持つLC発振回路

動作原理

この回路は、同じ抵抗値（1K〜4.7K）の2つの抵抗器を、水晶発振器設計（1MHz〜10MHz）とともにIC1内の2つのインバータゲートの並列共振で動作させます。

回路で使用する水晶に基づき、1MHz〜10MHzの出力オーバートーン周波数公差を生成できます。動作時の温度変化により水晶の容量に影響し、周波数公差が生じるため、出力周波数安定性に若干の欠陥が生じる可能性があります。しかし、LCやRCネットワークを使用する一般的な発振器と比較すると、その値は小さいです。

さらに、この回路は低消費電流です。したがって、5Vの定電圧電源を選択できます。また、9〜12ボルトのDC電源をDCレギュレータIC2-78L05に供給して出力を安定電圧に維持できます。

コンデンサ（C1、C2）が電流をフィルタリングする際、C2が高周波を引き込み、干渉から回路を保護します。

この回路に必要な部品は以下の通り：

• XTAL1 - 1MHz〜10MHzの水晶
• R1, R2 - 1K〜4.7K (1/4W ±5%)
• C3 - 2.2µF (16V) 電解
• IC1 - 74LS04、インバータゲートIV
• C1 - 10µF (16V) 電解
• IC2 - 78L05 (5V)
• ユニバーサルPCB基板
• D1 - 1N4001 (1A 50V) ダイオード
• C2 - 0.1µF (50V) ポリエステル

TTL 74LS04での回路テスト

この回路は安価でシンプルなため、水晶、TTL SN7404、4つの抵抗器があればテスト可能です。抵抗器（R1〜R4）が3つのインバータゲートを線形領域にバイアスし、水晶がフィードバックを提供します。

発振は水晶の基本周波数でのみ発生します。5V p-pで、出力信号は矩形波発振器を形成するはずです。

2. オーバートーン発振器

標準カット水晶が作れず、石英ウェーハがかなり薄い場合に有用です。例えば、発振器は周波数源を持つ144MHz送信機の同調負荷を持ちます。

負荷は通常、水晶の基本周波数の奇数倍を持ちます。したがって、オーバートーン発振器がこの用途に最適です。この発振器のオーバートーン水晶は11.6MHzで、第3高調波の34.8MHzに同調します。

この回路の一次巻数は15ターンで出力トランス（Amidon T-50_6）を持ちます。二次巻数は接続するものによります。出力がよりトリプル回路に従う場合、デバイスは104MHz水晶のトランシーバーのソースになります。

3. CD4060水晶発振回路

この回路はIC4013とIC4060で構成されます。約1Hzまたは2Hzの周波数サイズを持ち、標準的なデジタル時計や通常のクロック回路に使用できます。IC4060は単一動作の発振器とカウンターです。外部コンデンサと抵抗器で周波数を決定できます。

さらに、IC4060は石英水晶を持ち、回路の標準周波数発生器です。コンデンサも周期調整に役立ちます。IC4060内にカウンター回路があり、2Hzの周波数でピン3から分周出力します。クロック信号周波数を2で分周したい場合はIC4015を使用します。

4. 無線周波数発振器

回路図をよく見ると、左下隅にメインの水晶発振器があります。また、小型の1Wパワーアンプも見えます。

このコンポーネントはローパスフィルタとマッチング回路を駆動します。

その後、発振器はキーシェイピング回路を使用して発振器のオン/オフを切り替えます。

その結果、回路は緩やかに開始・停止し、クリック音の送信を防止します。

FET発振器のドレイン回路のおかげで、より多くの電力とクリーンな波形を提供します。興味深いことに、40mアマチュアバンドQRPモールス信号または連続波（マイクロスイッチ）送信機から電力が供給されます。

5. インバータゲート発振器

インバータゲート発振器は、作れる最もシンプルな発振器の一つです。最高の部分は、ほぼあらゆるインバータゲートCMOSが動作することです。74HC14、4069、74HC04などが使用できます。

さらに、すべてのデジタルゲートは通常ゲインを持ちます。しかし、それらをアンプのように動作させたい場合、約1M5以上の抵抗器でバイアスします。また、回路は1800の位相シフトを提供する可能性があります。3600の正帰還を作り発振を開始する唯一の方法は、コンデンサを使用することです。コンデンサが残りの位相シフトを提供します。

この回路のどのコンポーネントもクリティカルではありません。コンデンサ（C1、C2）は10p〜100pの範囲、抵抗器（R1）は10K〜10Mの範囲で可能です。要するに、値は水晶のカットと周波数に依存します。

正確な値が必要な場合、C1を可変コンデンサにすることで得られます。その精度が不要なら、2つ目の39pコンデンサを選択します。

水晶発振器の用途

水晶発振器は以下の重要な用途に使用できます：

• ビデオゲーム
• モデム
• パーソナルコンピュータ
• 自動車用途
• 通信
• エンジン制御
• デジタルシステム
• GPSシステム
• 温度センサー
• ケーブルテレビシステム

結論

水晶発振回路に関する詳細な情報を持つことは、特定の電子デバイス、主にDIYを作成する際にかなりのアドバンテージになります。

それがこの記事を書いた理由です。水晶発振回路について学ぶあなたの旅を助けるためです。

この記事に関するご質問があれば喜んでお答えします。お気軽にご連絡ください。できるだけ早くご返答いたします。